автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.14, диссертация на тему:Экспериментальное обоснование параметров измельчающей техники при переработке кости

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ, ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ II ТЕХНИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

)СКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ

На правах рукописи

Кирил Мнлчов Китов

УДК 637.513.4:637.62/.65

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕЛЬЧАЮЩЕЙ ТЕХНИКИ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ КОСТИ

Специальность: 05.02.14 - машины и агрегаты шнцевои промышленности

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Московского ордена Трудового Красного Знамени института прикладной биотехнологии.

Научный руководитель - член-корреспондент Российской

академии сельскохозяйственных наук, доктор технических наук, профессор ЧИЖИКОВА Т.В.

Официальные оппоненты: академик Российской академии

сельскохозяйственных наук, доктор технических наук, профессор ИВАШВ В.И.,

кандидат технических наук ! КУЛИШЕВ Б.В.

Ведущее цредприятие - Черкизовский мясоперерабчтываю-

щий завод.

Защита состоится 1992 г. на заседа-

нии специализированного Совета К 063.46.03 при Московском ордена Трудового Красного Знамени институте прикладной биотехнологии по адресу: 109618, г. Москва, ул. Талалихина, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан ^п ,¿¿(2-%, 1992 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических наук,

доцент ВЕНГЕР К.П.

» I

'' I ОБЩАЯ XАРАКТЕРИСТИК А РАБОТЫ

,—-Актуальность темы. Проблемы, связанные с рациональной переработкой мяса и мясных продуктов и переходом к безотходным техноло-'иям, приобретают первоочередное значение в аграрной политике :траны. Основное направление решения этих проблем - ускорение на-гчно-технического прогресса в мясоперерабатывающей промышленности I более полная утилизация непищевого сырья, образующегося при убое 1 переработке скота.

Увеличение производства кормов животного происховдения и косных жиров, а также другой продукции, получаемой при переработке зторичного мясного сырья, является важной народнохозяйственной зроблемой. Для ее решения необходимо использовать все имеющиеся ресурсы этого сырья, а также улучшить технологию его обработки. Немаловажное значение в повышении объемов и качества различных лицевых и технических продуктов из вторичного мясного сырья приобретет дальнейшее совершенствование технологических процессов, оборудования и технологий для его изготовления. Только улучшением качественных характеристик сухих животных кормов можно на 25-ЗС$ уве-хичить воспроизводство животноводческой продукции - мяса, молока 1 др. В то же время реальная потребность в них удовлетворяется зсе*о на 60-70%.

Мясоперерабатывающая промышленность ежегодно получает около юлутора миллиона тонн мясокостного сырья и кости. Это сырье явля-зтся основным в производстве пищевого и технического костного жира, сухих животных кормов, клея и желатина. Особо ценным сырьем является кость: трубчатая, паспортная и рядовая.

В настоящее время в нашей стране и за рубежом существует множество технологических решений по переработке кости и мясокостного сырья, отличающихся друг от друга технологическими параметра-

ми, аппаратурным исполнением, продолжительностью процесса и пр. Общее для них - стремление к максимальному выделению из сырья пищевых компонентов, пищевого и технического жира, коллагена, минеральных компонентов путем использования механического, физического, химического и теплового воздействия на продукт.

Одна из основных технологических операций при производстве костного жира, сухих животных кормов, клея и желатина - измельчение кости и мясокостного сырья. Современные измельчающие устройства и механизмы, используемые для этих целей, не лишены некоторых недостатков. Исследования и анализ, выполненные на промышленных измельчителях, показали, что процент выхода стабильной по размерному составу измельченной массы составляет 50-55%. Более 1Ъ% имеет размерный состав, выходящий за пределы, рекомендуемые технологическими инструкциями, что отрицательно сказывается на технологии переработки и качестве получаемой продукции. До 25% измельченной массы - мелкая фракция, безвозмездно теряющаяся в последующих этапах технологической обработки. Основная причина этих недостатков - техническое несовершенство оборудования, использование его без полного учета структуры и свойств сырья.

Вопросам переработки непищевых отходов в мясной промышленности посвящены исследования Большакова A.C., Горбатова В.М., Рогова И.А., Либермана С.Г., Мдинарадзе Т.Д., Сницаря А.И., Файвишев-ского М.Л., Родина В.Н. и многих других. Широко представлены и сведения о физико-механических свойствах костной ткани, об отдельных параметрах процесса измельчения и измельчающей технике. Сюда следует отнести исследования Пелеева А.И., Ивашова В.И., Барановского С.И., Чижиковой Т.В., Илюхина В.В., Попова И.Л., Юркова CJ1., Катюхина В.А., Кулишева Б.В., Коваленко В.Н., Гинзбурга A.C., Анд-рющенко А.Г., Ддрианова A.C., Ермакова Ю.П., Иванова A.A. и др. В

о же время изучение влияния таких механических характеристик остной ткани, как ударная вязкость, твердость, напряжение изгиба, ревалирующих в схемах нагружения измельчителей, на такие парамет-ы процесса измельчения, как степень измельчения и стабильность азмерного состава измельченной массы, требует проведения более етальных экспериментальных исследований.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является экспе-иментальное обоснование параметров измельчающей техники при пере-аботке кости.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

- анализ конструкций и процесса измельчения кости в измельчи-елях и выявление факторов, влияющих на степень измельчения, фрак-сонность и выход измельченной массы;

- разработка методики и изучение влияния различных видов над-езов на ударную вязкость и фракционность разрушенной костной тка-и крупного рогатого скота;

- исследование ударной вязкости костной ткани крупного рога-ого скота в зависимости от продолжительности высушивания;

- разработка конструкции ножевого устройства и технологии его зготовления;

- экспериментальное исследование фракционности измельченной ассы режущим инструментом новой конструкции и апробация результа-ов в производстве костных жиров и сухих животных кормов.

Научная новизна состоит в том, что на основании анализа полу-енных экспериментальных данных доказана и получила развитие гипо-еза, высказанная ранее, о стабилизирующем влиянии различных видов ефектов (надрезов) на характер разрушения кости и ее фракцион-ость. Показано, что чувствительность кости к надрезу проявляется снижении ударной вязкости, что приводит к увеличению выхода (до

80%) фракций измельченной кости требуемых размеров в соответствии с технологическими требованиями. Математически подтверждено и научно обосновано эмпирическое распределение фракций измельченной кости по массе, подчиняющегося закону нормального распределения.

Практическая ценность. На основании полученных экспериментальных данных о механических свойствах костной ткани с учетом уже известных и их влияния на параметры процесса измельчения, разработана новая конструкция режущего инструмента для силовых и универсальных измельчителей, работающих по типу нож-решетка. Разработана конструкторская документация, технология изготовления ножа новой конструкции с применением станков с ЧПУ и изготовлена опытно-промышленная партия. Исследования фракционного состава измельченной массы с использованием нового ножевого устройства показали, что частицы требуемого размера составляют около 80% по массе. Новизна инженерного решения подтверждена авторским свидетельством № 1637878 от 1.12.1990 г.

Промышленная апробация ножа новой конструкции осуществлена на Черкизовском мясоперерабатывающем заводе при производстве пищевых и технических жиров, сухих животных кормов, что подтверждено актом внедрения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсификация технологических процессов в рыбной промышленности" (г. Владивосток, 1989 г.); на научно-техническом семинаре "Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК- " (г. Клин, 1990 г.); образцы ножей экспонировались на выставках МИПБ (1989-1991 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, включая авторское свидетельство № 1637878 от 1.12.1990 года.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 1 глав, выводов, списка использованной литературы, приложения.

Работа изложена на ¡¿^страницах машинописного текста, содер-таблиц и^/рисунков. Список использованной литературы ¡ключает-^^наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, ее пра-стическая ценность для перерабатывающей промышленности, определены ;ель и задачи исследований.

В главе I "Современное состояние промышленной переработки ко-:ти" рассмотрены особенности структуры кости как объекта промыш-¡енной переработки, выполнена общая классификация кости с анатоми-1еской точки зрения и с учетом промышленного назначения, рассмотрены особенности технологий и применяемых технологических линий по переработке кости, даны краткие сведения о современных конструкци-к машин для измельчения кости и мясокостного сырья и выполнен шализ характера действующих нагрузок.

Кость, как объект разрушения, является сложным биокомпозитным гатериалом с резко выраженными анизотропными свойствами. Зто обус-гавливает довольно широкое разнообразие применяемых технологичес-сих способов и методов для ее переработки. Но основной технологи-хеской операцией, связанной с увеличением общей поверхности и интенсификацией процессов термообработки, является измельчение кости.

В настоящее время при дроблении и измельчении кости, направ-генной на производство костных жиров (пищевых и технических), су-:их животных кормов, костного шрота, клея и желатина, используются ) основном дробящие и измельчающие устройства общего назначения. 1рименение последних не гарантирует получение измельченного про-

дукта со стабильными размерами кусочков кости, которые являлись бы оптимальными для осуществления последующих технологических операций. Это сказывается на количестве и качестве получаемого продукта и является одной из причин неполного использования сырья.

Имеющиеся в литературе широкие сведения по механическим свойствам костной ткани нельзя считать достаточными. Противоречивость данных о механических свойствах кости объясняется ее строением, различными методиками определения этих свойств и др.

Исходя из вышеизложенного и в соответствии с намеченной целью сформулированы задачи исследования.

В главе 2 "Теоретико-экспериментальное исследование механического разрушения костной ткани" изложен анализ схем нагружения кости в измельчителях, работающих по типу нож-решетка; приведены основные сведения о динамических и ударных характеристиках костной ткани; рассмотрены методика и техника изготовления образцов и экспериментального исследования ударной вязкости, получены результаты о влиянии различных видов надрезов и продолжительности высушивания на ударную вязкость, степень измельчения и фракционность разрушенной кости.

В машинах, работающих по принципу нож-решетка, кость при взаимодействии с ножом подвергается различным видам нагружения, основными из которых являются сжатие, изгиб, а также ударные напряжения, которые присутствуют в основном при переходе сырья от шнека к ножу и между ножом и решеткой. Эти напряжения невелики, но их нельзя не учитывать при оценке состояния кости и ее способности к разрушению влияния их на степень измельчения и фракционность полученной после измельчения массы, на затраты энергии.

Нож, взаимодействуя с кусочками кости, развивает естественные и вызывает новые, приобретенные дефекты - трещины костной ткани.

Исходя из этого и анализа схем нагружения кости, проф. Чижико-вой Т.В. было высказано предположение, что при наличии трещин и прочих дефектов уменьшается пластическая деформация кости, снижается ее вязкость, что способствует переходу кости в хрупкое состояние, которое, с другой стороны, является основой стабилизации фракционного состава измельченной массы. Это послужило основой для изучения ударной вязкости костной ткани, являющейся мерой сопротивления удару и показывающая склонность к хрупкому разрушению.

Исходя из сложности в создании естественных и приобретенных дефектов кости, последние в экспериментальных исследованиях заменили надрезами различной формы. Они выполнены в соответствии со стандартными требованиями для динамических испытаний сложных композиционных материалов. Исследовали влияние различных видов надрезов и продолжительности высушивания на ударную вязкость кости. Следует признать, что в литературе отсутствуют сведения о влиянии различных видов надрезов на фракционность разрушенной кости и на степень измельчения.

Объектом экспериментальных исследований послужила костная ткань большой берцовой кости крупного рогатого скота в возрасте 2,5-3,5 лет. Данная возрастная группа выбрана по следующим соображениям: во-первых, она является основой при убое животных на мясокомбинатах; во-вторых, в этой возрастной группе легко подбирали кости примерно одинакового размера по длине и диаметру диафизной трубки, что позволило снизить разброс экспериментальных данных и уменьшить статистическую погрешность результатов исследований.

Образцы для испытаний изготовляли из диафизной части большой берцовой кости. После удаления эпифизов, поперечное сечение диафи-за по общепринятым представлениям разделяли на три зоны - латеральную, каудальную и медиальную. Образцы по размерам и конфигура-

ции изготовляли в соответствии с требованиями и рекомендациями, принятыми для сложных композиционных конструкционных материалов.

Для определения ударной вязкости костной ткани образцы длиной 55 мм с прямоугольным поперечным сечением вырезали из латеральной зоны вдоль продольной оси кости. Такой выбор объясняется следующими причинами. Во-первых, механические свойства (прочность на сжатие, разрыв, конструктивная прочность) костной ткани латеральной зоны в среднем в 1,3-1,7 раза больше, чем для других зон поперечного сечения; во-вторых, продольное направление выбрано исходя из заметного различия механических свойств по осям (степень анизотропии механических свойств в среднем составляет I : 0,63 : 0,68 для продольной, тангенциальной и радиальной осей соответственно), в третьих, исходя из практической точки зрения,изготовление достаточно длинных образцов в тангенциальном и радиальном направлении невозможно из-за малой толщины компактного слоя в диафизе кости.

Для получения образцов использовали горизонтально-фрезерный станок мод. 6М81. При этом учитывали тот факт, что в процессе обработки костная ткань нагревается и температура не должна превышать с целью исключения отрицательного воздействия. Уменьшение и предотвращение нагрева костной ткани достигалось применением интенсивного охлаждения водой. В процессе механической обработки также имели ввиду возможное зарождение трещин и появление других дефектов. Поэтому поверхность каждого образца окрашивали раствором фуксина и оценивали на.оптическом микроскопе. Выбирали те образцы, у которых практически не было дефектов.

После отделения эпифизов диафизную трубку закрепляли в специальном зажимном приспособлении и распиливали в продольном направлении. Далее из каждого сегмента, используя наборы фрез, готовили по 3 образца без надрезов и с надрезами. При получении образцов

фименяли фасонные фрезы, которые обеспечивали необходимые гео-яетрические параметры.

и -образный надрез наносили в средней части образца, его шири-1а - 2 мм, радиус закругления - I мм, глубина - не менее 2С$, но 1е более 29% от толщины образца. Образцы с V-образным надрезом ¡мели те же размеры и глубину надреза, но отличались геометрией. $ этом случае угол раскрытия составлял 45+2° и радиус кривизны ¡адреза ^ н = 0,25+0,1 мм. Геометрические параметры образцов конт-юлировали с точностью до 0,1 мм.

Испытания проводили по методу двухопорного ударного изгиба на галтниковом копре типа МК-2,5, модернизированном применительно к состным образцам. Запас энергии копра составлял 24,52 Дс, скорость движения маятника в момент удара - 4,9 м/с, угол подъема рабочего гожа - 160°. При испытании образцов длиной 55 мм расстояние между горизонтальными опорами составляло 40 мм. Изгибающий нож массой ),804 кг имел сечение в виде треугольника с углом при вершине 30° 1 радиусом закругления 3 мм.

Образцы располагали на растягиваемой стороне при помощи шаб-юнов таким образом, чтобы плоскость удара строго совпадала с осью 1адреза или с геометрическим центром ненадрезанного образца.

Работу Ан, затраченную на деформацию и разрушение образцов, зычисляли по формуле:

А„ = Р • I - «ИХ ), Дк , (I)

где: Р - масса маятника, Н;

£ - расстояние от центра тяжести молота до оси качения, м;

X и В - углы подъема маятника соответственно ^ до и после излома образцов, град.

Зная полную работу деформации и разрушения Ан, рассчитывали ударную вязкость по формуле:

КС (ан) = -Ь- , Дс/м2 , (2)

где: Р - площадь поперечного сечения образца в месте удара или в месте надреза до испытаний, м^.

В процессе исследования испытывали свежие и высушенные образцы. Свежими считали образцы, полученные из костей и сломанные в течение 24 часов с момента убоя животных. Для воздушносухих образцов время высушивания находилось в пределах от I до 180 дней с интервалом в 15 дней при постоянной температуре 20+1° и постоянной относительной влажности 65+5$. Эти параметры были выбраны с целью приближения условий проведения экспериментов к реальному состоянию сырья до его промышленной переработки. С учетом особенностей объекта исследования, кратность измерений-составляла в среднем 10, а общее число испытанных образцов - около 420.

Данные испытаний ударной вязкости костной ткани большой берцовой кости крупного рогатого скота, полученные по методу двух-опорного ударного изгиба, представлены в таблице I.

Математическую обработку результатов проводили при помощи прикладных программ для статистической обработки данных на ПЭВМ "Искра-226". Получены следующие эмпирические зависимости ударной вязкости костной ткани большой берцовой кости крупного рогатого скота:

1) для образцов без надрезов

КС = -2- • Ю5, Дк/м2 ; (3)

-4,0439 + 0,534 • Т

2) для образцов с и -образным надрезом

КСи = -2- • Ю5, ДкЛ»2 ; (4)

-4,7768 + 0,6404 • Т

3) для образцов с V -образным надрезом

КСУ = -1- -Ю5 , Дк/м2 • (5)

-6,1878 + 0,835 • Т

Расчетные данные, полученные по этим зависимостям, сведены в таблице I, а кривые, построенные по ним, показаны на рисунке I.

хаилица х

Экспериментальные значения ударной вязкости костной ткани большой берцовой кости крупного рогатого скота в зависимости от вида надреза и продолжительности высушивания

№ №: • Продолжительность высушивания (Т), дней Ударная вязкость без надрезов с о КС х I0~ü, Дж/м Ударная вязкость KCU х Ю-5, Дк/м2 Ударная вязкость KCV х Ю-5, Дк/м2 *

• п/п| эксперимен- : тальная : эмпирическая эксперимен- : тальная : эмпирическая эксперимен- : тальная : эмпирическая

I 0 2,364+0,358 _ 2,000+0,303 _ 1,537+0,233 _

2 15 2,318+0,352 3,782 1,986+0,302 3,106 1,490+0,225 2,367

3 30 2,281+0,346 2,505 1,941+0,294 2,078 1,483+0,223 1,590

4 45 2,267+0,343 2,252 1,918+0,291 1,872 1,474+0,219 1,434

5 60 2,215+0,336 2,143 1,867+0,283 1,783 1,440+0,218 1,366

б 75 2,193+0,329 2,083 1,849+0,280 1,734 1,425^0,216 1,329

7 90 2,198+0,333 2,045 1,868+0,284 1,703 1,429+0,216 1,305

8 105 2,113+0,319 2,018 1,781+0,269 1,681 1,373+0,208 1,288

9 120 2,038+0,309 1,998 1,744+0,264 1,665 1,325^0,199 1,276

10 135 1,983+0,300 1,984 1,686+0,255 1,653 1,289+0,195 1,267

II 150 1,938+0,297 1,972 1,647+0,249 1,643 1,260+0,191 1,260

12 165 1,875+0,285 1,963 1,594+0,241 1,635 1,219+0,184 1,254

13 ieo 1,818+0,275 1,955 1,533+0,232 1,629 1,182+0,166 1,249

ударная вязкость, определяемая на образце с надрезом вида У ; ударная вязкость, определяемая на образце с надрезом вида V .

КС .ю"5, Дж/м2

О 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 185

Рис. I. Эмпирические зависимости ударной вязкости костной ткани большой берцовой кости крупного рогатого скота от вида надреза и от продолжительности высушивания.

Анализируя полученные результаты экспериментальных исследований, установлено, что ударная вязкость костной ткани большой берцовой кости крупного рогатого скота изменяется значительно в зависимости от продолжительности высушивания. Так, ее значения значительно уменьшались (в среднем на 3&-4($) в течение первых двух-трех месяцев. При дальнейшем высушивании (до 6-ти месяцев) резкое изменение значения ударной вязкости не отмечено, и она сс ставила в среднем 7-10% по сравнению с первыми двумя месяцами. Выявлено, что характер разрушения свежих и высушенных образцов без концентраторов напряжений меняется по-разному. Высушенные о( 12 разцы разрушались осколочно, типично для хрупкого материала. Пр1

чем, размеры и число осколков находились в зависимости от продолжительности высушивания: чем длительнее была высушена кость, тем размеры осколков были меньше, а их число больше и наоборот. В случае испытаний свежих образцов скалывание не наблюдали, выявлен типичный вязкий характер разрушения.

В экспериментах оценивали влияние различных видов надрезов на ударную вязкость. Предполагали, что наличие надреза уменьшает пластическую деформацию костной ткани и тем самым способствует ее переходу в хрупкое состояние, снижая вязкость. Значения ударной вязкости для образцов с и - и V -образным надрезом меньше по сравнению с цельными образцами в среднем на 15 и 34$ соответственно. Отмечено также, что различные виды надрезов существенного изменения на форму кривых зависимости ударной вязкости от продолжительности высушивания не оказывают.

Следует указать и на влияние надрезов на характер разрушения. При разрушении целых костных образцов при ударном изгибе количество мелких осколков было меньше, чем при разрушении надрезанных образцов. Надрезы как бы обеспечивали постоянство количества осколков и их размеров в процессе испытаний и снижали энергию разрушения. Это подтверждает высказанную гипотезу о стабилизирующем влиянии надрезов и других естественных и приобретенных дефектов на характер разрушения, что очень валено при оценке влияния технологических и других факторов на состояние кости до измельчения, в процессе измельчения и при анализе фракционного состава измельченной кости.

В главе 3 "Экспериментальное исследование процесса измельчения ности в промышленности" на основании полученных результатов исследований приведены обоснование выбора новой конструкции и геометрических параметров режущего инструмента, методика и результа-

ты исследования фракционного состава кости после измельчения, даны некоторые практические рекомендации к апробации результатов в промышленности.

Исходя из экспериментальных данных по ударной вязкости кости и влияния на нее различных видов надрезов, а также с учетом особенностей измельчения кости и мясокостного сырья на измельчителях, работающих по типу нож-решетка, нами разработана и создана принципиально новая конструкция режущего инструмента (рис. 2).

Рис. 2. Нож новой конструкции к измельчителям кости и мясокостного сырья:

I - посадочное отверстие; 2 - основная режущая кромка; 3 - передняя винтовая поверхность; 4 - задняя винтовая поверхность; 5,6 - торцевые поверхности; 7 - затыловка с определенным радиусом; 8 - дополнительная режущая кромка; 9 - выемки для уменьшения поверхности трения; X и^б- углы основной и дополнительной режущих кромок соответственно.

Нож имеет винтообразную форму и представляет собой массивный четырехзаходный винт с углом подъема винтовой поверхности 55-75°. Стабилизация фракционного состава обеспечивается: во-первых, вин-

товсЗй поверхностью, увеличивающей скорость прохождения сырья через зону резания и создающей дополнительную его подпрессовку; во-вторых, затыловкой с определенным углом, образующей дополнительную режущую кромку. Последняя, ударяя по измельчаемому сырью, создает трещины и дефекты V -образной формы, сходные по геометрическим параметрам с экспериментальными, которые снижают ударные нагрузки и уменьшают энергию разрушения. Дополнительная режущая кромка и проточки на боковых гранях ножа, уменьшающие поверхности трения, сокращают также энергозатраты на процесс измельчения кости.

Методика исследования фракционности измельченной кости на промышленном оборудовании заключалась в следующем. Лотком отбирали измельченную кость и промывали теплой водой под напором для отделения оставшихся кусочков мяса и другой мягкой ткани. Оставшуюся кость высушивали при температуре 60°С в течение двух часов. Опытным путем масса исследуемой измельченной кости определена в количестве 1500 граммов.

Для определения размеров костных фрагментов использовали два способа. По первому способу: исследуемую костную массу по каждому ножу загружали в машину ситового анализа. Набор сит, каждое из которых имеет свой номер в зависимости от размера ячейки, позволял исследовать частицы с линейным размером от I до 20 мм. Содержимое по каждому из них, после остановки машины, взвешивали на весах с точностью до 0,1 г и подсчитывали количество кусочков.

По второму способу: высушенную костную массу высыпали равномерным слоем на неэкспонированную фотобумагу при красном свете таким образом, чтобы кусочки кости по возможности не соприкасались. Проводили экспозицию фотобумаги с определенной выдержкой и проявляли. Параллельно готовили сетки из прозрачного материала (на прозрачной кальке или оргстекле наносили риски тушью) с размерами

ячеек от I до 20 мм. Сетки, начиная с самой мелкой и до самой крупной, накладывали на каждый полученный фотоотпечаток и подсчитывали количество отпечатков кости на каждой сетке, которые четко входили в поперечные размеры рисок.

Еасхождение данных при использовании обоих способов составило в среднем 5-7%, причем наибольшее значение - при определении размеров кусочков кости менее 5 мм.

Для экспериментальных исследований были взяты следующие виды ножей:

- нож стандартный трехзубый (базовый);

- ножи винтовые без проточек и без дополнительных режущих кромок толщиной 46 и 66 мм;

- ножи винтовые без дополнительных режущих кромок, но с проточками толщиной 46 и 66 мм;

- ножи новой конструкции толщиной 46 и 66 мм.

В таблицах 2 и 3 приведены для сравнения процентные содержания фракций по количеству и по массе измельченной кости для стандартного ножа и ножа новой конструкции. Показан выход (в процентах) фракций требуемого размера, который, согласно технологического процесса переработки кости при производстве костных жиров и сухих животных кормов, составляет от 4 до 10 мм включительно.

При исследовании размерного состава измельченной кости, полученной при использовании винтовых ножей, отмечена более четкая калибровка и однородность состава. Следует указать и на тот факт, что фракция, выходящая за пределы требуемых размеров, по массе ниже, чем при измельчении кости со стандартным трехзубым ножом. Наибольший выход фракций требуемого размера по массе (около 80%) получен при использовании ножа новой конструкции.

По данным построены гистограммы распределения фракций по мас-

Таблица 2

Содержание фракций в общей массе измельченной кости при использовании стандартного трехзубого ножа

Показатели

Размер кусочков измельченной кости, мм

I : 2 | з | 4 | 5 | б ! 7 : 8 ! 9 I ю ! п 112 :13 114 ! 15 • 16 117 :18 :19 • 20

Количество измельченной

кости, шт. . 26 20 25 20 24 26 22 33 37 42 19 13 10 10 9 7 5 4 3 2 Процент по

количеству . 6,7 5,2 6,5 5,2 6,2 6,7 5,7 8,6 9,6 10,9 4,9 3,4 2,6 2,6 2,3 1,8 1,3 1,0 1,0 0,5

Выход частиц требуемого размера по количеству,

%..........52,9

Масса, г . .15,6 22 40 42 62,4 80,6 79£ВД6Щ9 218,4 108,3 80 £ 68 73 70,2 58Д 43,9 29,4 20,8 Процент по

массе ... 1,0 1,5 2,6 2,8 4,2 5,4 5,3 9,2 Цб 14,6 7,2 5,4 4,5 4,9 4,7 3,9 2,92,5 1,9 1,4

Выход частиц требуемого размера по

массе, % . . 53,1

Контрольная масса - 1500 г.

Таблица 3

Содержание фракций в общей массе измельченной кости при использовании ножа

новой конструкции

Показатели

Размер кусочков измельченной кости,, мм

1:2:3:4: 5 • б : 7 : 8 | 9 • ю | II112 113 114 115 :1б| 17 :18:19|20

Количество измельченной

кости, шт. . 23 23 29 42 48 61 104 37 26 23 10 8 7 5 3 1 2 - - -

Процент по количеству ..5,1 5,1 6,4 9,3 10,6 13,5 23,0 8,2 5,8 5,1 2,2 1,8 1,5 1,1 0,7 0£ 04 - - -

Выход частиц требуемого размера по количеству, % . 75,5

Масса, г . .13,8 253 88£ 1240 18*1371,4 Щ4 122,2 Ш,6 57,0 49£ 47£ 36,5 23,4 8£ 17,6 - - -Процент по

массе .... 0,9 1,7 3,1 5,9 8,3 12,6 2Ь,0 10,4 8,1 8,0 3,8 3,3 3,2 2,4 1,6 0,5 1,2 - - -

Выход частиц требуемого размера по

массеГ% . . 78,3

Контрольная масса - 1500 г.

се. В первом приближении они подчиняются закону нормального распределения и имеют вид У = А + Ве~с^х-с^ (рис. 2).

Рис. 2. Кривые нормального распределения фракций измельченной кости по массе для различных . видов ножей.

Для различных видов ножей получены следующие уравнения:

- для стандартного трехзубого ножа (кривая I)

У = 0,2 + 14,8 е-0'0687 - 10>2 ; (6)

- для винтового ножа без проточек и без затыловок (кривая 2)

У = 0,2 + 17,3 е"0'0941 (х ' 9)2 ; (7)

- для винтового ножа с проточками, но без затыловок (кривая 3) 2

У = 0,2 +■ 17,8 е-0'0973 (х " 9) ; (8)

- для ножа ноБ-.й конструкции (кривая 4)

У = 0,4 + 24,6 е"0'1135 (х - 7>2 . (9)

Площадь под нормальными кривыми, отвечающая интервалу оси аб-

сцисс 4...10 мм, изображает вероятность попадания фракций требуемого размера в данный интервал.

Анализируя фракционность измельченной кости, следует признать, что наибольшее' влияние оказывают: наличие дополнительной режущей кромки, участвующей в предварительном измельчении кости и стабилизирующей последнюю по размерному составу; винтовая поверхность, создающая дополнительную подпрессовку сырья перед выходной решеткой, что способствует в итоге более четкой калибровке и однородности измельченной кости.

Экспериментальные результаты показали, что толщина ножей на фракционный состав влияния не оказывает. По описанной выше методике исследована зависимость степени измельчения кости от продолжительности работы инструмента, в частности, стандартного трехзубого ножа и ножа новой конструкции. Полученные данные занесены в таблицу, и по ним построены гистограммы. В результате математической обработки получены следующие уравнения кривых нормального распределения (рис. 3):

20 15 Ш 5

1 и 2

! 1 У / / / / к 1

/ 1/ / / / / / \ \ Ч

1 *" / 7 / / / V / / / —

\ г 5 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1? 18 19

ММ

Рис. 3. Кривые нормального распределения фракций измельченной кости по массе для различных видов ножей в зависимости от отработанного времени

- для стандартного трехзубого ножа после двух смен работы (кривая I)

У = 0,3 + 10,7 е"0'0458 (х - П>2 ; (10)

- для ножа новой конструкции после пятнадцати смен работы (кривая 2)

У = 0,3 + 12,2 е"0»0573 - 9>2 . (II)

Анализируя полученные данные и зависимости, можно сказать, что фракционный состав измельченной кости по массе при использовании стандартного трехзубого.ножа не соответствует технологическим инструкциям, что достигается после двух смен непрерывной работы. Аналогичный размерный состав имеет место при использовании ножа новой конструкции спустя отработку в течение 15 смен. Это свидетельствует о том, что работоспособность ножа новой конструкции возрастает примерно в 7-8 раз.

Как было отмечено выше, толщина ножей на фракционный состав влияния не оказывает, но заметно влияет на производительность и долговечность инструмента. Исследования показали, что производительность в случае применения ножа новой конструкции (толщина -46 мм) увеличивается на 20-25%, при толщине 66 мм - на 35-40% по сравнению со стандартным трехзубым ножом. Это вызвано тем, что удлиненная поверхность способствует возрастанию скорости прохождения измельчаемого сырья через зону резания. Толщина ножей также увеличивает их долговечность, которая для ножа новой конструкции (толщина 66 мм) составляет около 30 месяцев, тогда как для стандартного трехзубого ножа - месяц-полтора.

В главе 4 "Технология изготовления режущего инструмента новой конструкции" приведен анализ металлических материалов при изготовлении режущих инструментов для измельчения твердого и смешанного сырья; рекомендованы материалы для изготовления ножевого уст-

ройства новой конструкции; даны обоснование и выбор технологии изготовления.

Эксплуатационные условия, в которых приходится работать материалам, идущим на изготовление рабочих органов различных измельчителей, весьма сложны: переменные и динамические нагрузки, износ, коррозионное воздействие. Поэтому требования, предъявляемые к металлическим материалам, довольно высокие.

Основными инструментальными материалами, используемыми для изготовления режущих инструментов, являются углеродистые и легированные стали. Рассмотрены только те стали, применение которых для режущих инструментов измельчающих устройств технологически целесообразно и экономически оправдано. Основные характеристики, по которым выбраны материалы: твердость, износостойкость, предел выносливости, ударная вязкость, абразивный износ, чувствительность к влиянию концентраторов напряжений.

При выборе марки стали для изготовления режущего инструмента для измельчения кости следует учитывать размеры инструмента и величину динамических нагрузок, которым он подвергается в условиях эксплуатации.

Для изготовления ножа новой конструкции диаметром ^ 200 мм и толщиной 66 мм рекомендованы следующие стали повышенной прокалива-емости и вязкости: 6ХВ2С, 6ХЗФС, 7X3, 7ХФН, 7ХГ2ВМ, ЗХ2В8М. Ножи для экспериментального исследования были изготовлены из стали марки ЗХ2В8Ш с изотермической закалкой до твердости НКС 52.

Для серийного производства целесообразно использовать сталь марки 7ХГ2ВМ как менее дорогостоящую (в 3-4 раза дешевле, чем сталь марки ЗХ2В8ФМ) и незначительно различающуюся по свойствам.

При выборе технологии изготовления ножа новой конструкции исходили из стоимости его изготовления, конструктивных особенностей,

материала и трудоемкости в изготовлении. Исходя из этого и из серийности, нами предложены две технологии изготовления ножа.

Если количество изготавливаемых ножей менее 1500 шт., то целесообразно и экономически выгодно применять технологию механической обработки. Нами отработана такая технология на вертикально-фрезерном станке модели ВП912 с ЧПУ (постпроцессор марки НЗЗ-1М) с последующим переносом управляющей программы на промышленные станки с ЧПУ. С помощью этой технологии изготовлены опытные образцы ножей для экспериментальных исследований. В случае, если количество ножей превышает 1500 шт., то выгоднее применять технологию изготовления литьем по выплавляемым моделям. При меньшем количестве эта технология не оправдана из-за высокой стоимости изготовления пресс-формы.

В конце главы дан расчет экономической эффективности от внедрения ножа новой конструкции, изготовленного механической обработкой, в перерабатывающей промышленности.

ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ литературных данных по механическим свойствам кости крупного рогатого скота и применяемым технологическим схемам для ее измельчения. Показано влияние ударных нагрузок на параметры измельчителей, работающих по типу нож-решетка при переработке кости.

2. Разработана методика определения ударной вязкости костной ткани крупного рогатого скота в свежем и высушенном состоянии. Получены зависимости ударной вязкости от различных видов надрезов и продолжительности высушивания.

3. Экспериментально подтверждена теоретическая гипотеза о влиянии надрезов на характер разрушения костной ткани. Исследован фракционный состав измельченной кости крупного рогатого скота, по-

лученный в измельчителях, работающих по типу нож-решетка. Практически доказано стабилизирующее влияние надрезов на фракционный состав измельченной кости и ее выход.

4. Разработана принципиально новая конструкция и техническая документация на опытно-экспериментальные образцы ножевого устройства для измельчения кости и мясокостного сырья (авт. свидетельство № 1637878 от I.12.1990 г.).

5. Отработан технологический процесс изготовления ножа новой конструкции путем механической обработки на станках с ЧПУ. Создана управляющая программа на базе ПЭВМ "Искра-226", позволяющая переносить технологию на фрезерные станки с ЧПУ. По этой программе изготовлены опытные образцы ножей на ЭМЗ НПО "Комплекс" (г. Зеленоград).

6. Ножи новой конструкции прошли промышленную апробацию в составе технологической линии ЯВ-ФЛК (КПК-250) по производству костных жиров и сухих животных кормов на Черкизовском мясоперерабатывающем заводе (г. Москва). Рекомендованы к широкому внедрению в промышленности.

Годовой экономический эффект от внедрения ножей новой конструкции составил более 15 тыс. рублей на 1990 г.

По теме диссертации опубликованы работы:

1. Чижикова Т.В., Попов И.Л., Китов K.M., Блинов A.B. Повышение конструкторской и технологической надежности режущего инструмента измельчителей мяса. - В обзор, реф. инфор.: Надежность и техническая диагностика оборудования перерабатывающих отраслей АПК. - М., 1990, с. 64-71.

2. Чижикова Т.В., Китов K.M., Попов И.Л. Новая конструкция ножа для измельчителей мясокостного сырья. - Служ. инфор. сообще-